FPGA教程系列-流水线中的一些概念

什么是反压与气泡？

这两个概念是流水线（Pipeline）设计和 AXI-Stream 协议中最核心的术语。。

1. 什么是反压 (Backpressure)?

一句话解释：下游忙不过来了，告诉上游"慢点，别发了"。

想象一个快递打包流水线：

上游（Source） ：负责把物品放到传送带上。
下游（Sink） ：负责把传送带上的物品装进箱子。

反压的场景：

如果下游装箱的工人动作慢了，或者箱子用完了，他面前的传送带就会堆满物品。这时，他必须按下"红灯"按钮，告诉上游："停！我这里堵住了！"。

上游看到红灯，就必须停止放东西，否则物品就会掉到地上（数据丢失/溢出）。

在 AXI-Stream 信号中：Ready 信号 就是这个"红灯/绿灯"。当 m_axis_tready = 0 （拉低）时，就是反压。这意味着下游模块正在说："我忙，现在处理不了数据"。

2. 什么是气泡 (Bubble)?

一句话解释：本来能传数据的时候，因为反应慢或设计缺陷，导致传送带空了一格。

继续看那个流水线：

下游刚才堵住了（反压），上游停了。
突然，下游工人搞定了，按下了"绿灯"（Ready 拉高），喊道："可以了，继续！"。

气泡的场景：

如果上游工人的反应慢了一拍：他看到绿灯亮了，先发愣了 1 秒，然后才把物品放到传送带上。

那么，传送带上就会出现一段空白。这个空白传到下游，下游工人就得干等 1 秒。

这个空白的无效周期 ，就是气泡。

在 AXI-Stream 信号中： 上游有数据想发，下游也准备好收了（Ready=1）。但是因为寄存器逻辑设计的延迟（Latency），导致 tvalid 在中间莫名其妙变低了 1 个周期。这个周期没有传数据，带宽就被浪费了。

延迟与吞吐率

1. 延迟 (Latency)：这一趟要跑多久？

定义：一个数据包从进入系统（起点）到离开系统（终点）所花费的时间。

单位：时间单位（秒、毫秒、纳秒）或时钟周期数（Cycles）。

核心关注点：快慢（Speed）。

🚗 高速公路比喻：

假设要从北京开车去天津。

延迟就是：车从北京收费站开进，到从天津收费站开出，一共花了 1 小时。
如果你把车速飙得很快，或者路很直，时间变成了 0.8 小时，那就是低延迟（好）。
如果在路上遇到检查站（寄存器），停车检查了 5 分钟，总时间变成 1.1 小时，那就是延迟增加（变慢）。

2. 吞吐率 (Throughput)：这一会儿能过多少？

定义：单位时间内，系统能够处理的数据总量。

单位：MB/s, Gbps, PPS (Packets Per Second)。

核心关注点：容量（Capacity）/ 流量（Flow）。

🚗 高速公路比喻：

还是那条高速公路。

吞吐率 就是：天津收费站每小时能放行多少辆车？
比如：10,000 辆车/小时。
哪怕每辆车在路上都要开很久（高延迟），只要路足够宽（位宽大）、车速足够快（频率高）、车间距足够小（无气泡），每小时出来的车就可以非常多。

3. 它们的关系：FPGA 中的经典权衡

场景 A：不做流水线（直连）

路况：一条窄路，不限速，但路太长，司机不敢开太快，怕反应不过来（时序不收敛）。
时钟频率：100 MHz（车速 100 km/h）。
延迟：1 个周期（10ns）。------ 单个数据极快到达。
吞吐率：100 M个数据/秒。

场景 B：做流水线（加寄存器）

路况：把长路切成两段短路，中间加个收费站（寄存器）。因为路短了，司机敢把车速飙到极高。
时钟频率：300 MHz（车速 300 km/h）。
延迟：2 个周期（收费站耽误了一拍）。
- 物理时间：2 × 3.3ns = 6.6ns。（虽然周期数多了，但其实物理上并没有慢多少，甚至更快了）。
吞吐率 ：300 M个数据/秒。------ 也就是以前的 3 倍！

4. 这里的"延后"和"气泡"的区别

你可能担心：延后了一个周期，是不是等于有一个气泡？

气泡 (Bubble) ：是指流水线中间断流了，有一个周期谁都没传数据，带宽由 100% 掉到了 0%。这是纯粹的浪费。
延后 (Latency) ：是指流水线满了，只是整体平移了一格。

视觉对比：

假设输入是 1, 2, 3, 4, 5...

有气泡 (Type 1 Bad Case):

Cycle 1: Out = 1

Cycle 2: Out = (空) <-- 浪费

Cycle 3: Out = 2

Cycle 4: Out = 3

有延后但无气泡 (Type 2):

Cycle 1: Out = (空，因为还没流过来) <-- 仅初始等待一次

Cycle 2: Out = 1

Cycle 3: Out = 2

Cycle 4: Out = 3

Cycle 5: Out = 4

一旦流水线填满（Pipeline Priming），REG_TYPE=2 就能保证每个周期都有数据输出，带宽是 100% 的。